Mô phỏng số dòng chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu

1
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu do tôi thực
hiện. Các số liệu và kết quả trình bày trong luận án là trung thực,
chưa được công bố bởi bất kỳ tác giả nào hay ở bất kỳ công trình
nào khác.
Tác giả
Nguyễn Viết Thanh
LỜI CẢM ƠN
2
Luận án Tiến sĩ được thực hiện tại Trường Đại học Giao thông Vận tải
Hà Nội dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Trần Đức Nhiệm và
PGS.TS Trần Đình Nghiên. Nghiên cứu sinh xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc
tới các thầy về định hướng khoa học, liên tục quan tâm sâu sát, tạo điều kiện
thuận lợi trong suốt quá trình nghiên cứu, có những lúc nghiên cứu sinh cảm
tưởng khó có thể tiếp tục nghiên cứu nhưng nhờ sự động viên, khích lệ của
các thầy cộng với sự nỗ lực không ngừng nghỉ của bản thân, đến nay luận án
đã được hoàn thành. Nghiên cứu sinh cũng xin được chân thành cảm ơn các
nhà khoa học trong và ngoài nước, tác giả của các công trình nghiên cứu đã
được nghiên cứu sinh sử dụng trích dẫn trong luận án về nguồn tư liệu quý
báu, những kết quả liên quan trong quá trình nghiên cứu hoàn thành luận án.
Nghiên cứu sinh trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu Nhà trường, Phòng
Đào tạo Sau Đại học, Bộ môn Cầu Hầm, Bộ môn Thủy lực-Thủy Văn, Hội
đồng Tiến sỹ Nhà trường vì đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh thực hiện và
hoàn thành chương trình nghiên cứu của mình. Nghiên cứu sinh cũng xin gửi
lời cảm ơn đến TS. Đặng Hữu Chung-Viện Cơ học Việt Nam, Phòng thí
nghiệm trọng điểm Quốc gia về Động lực học sông biển thuộc Viện Khoa học
Thủy lợi Việt Nam vì những sự giúp đỡ quý báu về thuật toán mô phỏng, xây
dựng các mô hình thí nghiệm vật lý cũng như sự giúp đỡ, hướng dẫn về mặt
kỹ thuật.
Nghiên cứu sinh cũng xin trân trọng cảm ơn UBND tỉnh Quảng Bình

đã đưa vào quy hoạch đào tạo sau đại học giai đoạn 2011-2015, cảm ơn Lãnh
đạo Ban Quản lý Khu kinh tế Quảng Bình đã tạo điều kiện cho nghiên cứu
sinh vừa công tác vừa học tập, nghiên cứu.
Cuối cùng là sự biết ơn đến ba mẹ, vợ và các con vì đã liên tục động
viên để duy trì nghị lực, sự hy sinh thầm lặng, sự cảm thông, chia sẻ về thời
gian, sức khỏe và các khía cạnh khác của cuộc sống trong cả quá trình thực
hiện luận án.
Hà Nội, tháng 10 năm 2014

Nguyễn Viết Thanh
MỤC LỤC
3
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CẢM ƠN ii
DANH MỤC BẢNG BIỂU vii
DANH MỤC HÌNH VẼ viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 0.1: Thống kê số lượng cầu hỏng ở Mỹ do xói cục bộ từ năm 1985-1995
Bảng 2.1: Giá trị hệ số nhám n
b
Bảng 2.2: Giá trị hệ số nhám n
3
Bảng 2.3: Giá trị hệ số nhám tại bề mặt vật liệu
Bảng 3.1: Kết quả thí nghiệm thành phần hạt
Bảng 3.2: Các thông số mô hình thí nghiệm thứ nhất
Bảng 3.3: Các thông số mô hình thí nghiệm thứ hai
Bảng 3.4: Các thông số mô hình thí nghiệm thứ ba
Bảng 3.5: Kết quả đo xói của thí nghiệm thứ nhất
Bảng 3.6: Kết quả đo xói của thí nghiệm thứ hai
Bảng 3.7: Kết quả đo xói của thí nghiệm thứ ba

4
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 0.1: Một số hình ảnh về hậu quả do xói cục bộ trụ cầu gây ra
Hình 1.1: Phân loại xói
Hình 1.2: Minh họa xói tại trụ và mố cầu
Hình 1.3: Minh họa cơ chế dòng chảy xung quanh trụ cầu
Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát quá trình tính toán của FSUM
Hình 2.2: Thiết lập khu vực nhám cục bộ xung quanh trụ
Hình 2.3: Giao diện tính toán của chương trình con Mô-đun1
Hình 2.4: Miền hiệu chỉnh tốc độ lắng phần tử hạt
Hình 2.5: Giao diện tính toán của chương trình con Mô-đun2
Hình 2.6: Giao diện tính toán của chương trình con Mô-đun3
Hình 2.7: Sơ đồ khối bài toán mô phỏng tính xói cục bộ trụ cầu
Hình 3.1a: Sơ đồ tổng thể mô hình máng thí nghiệm (1)
Hình 3.1b: Sơ đồ tổng thể mô hình máng thí nghiệm (2)
Hình 3.1c: Sơ đồ tổng thể mô hình máng thí nghiệm (3)
Hình 3.2: Tóm tắt sơ đồ thí nghiệm
Hình 3.3: Phân phối thành phần hạt
Hình 3.4: Bố trí trụ đơn đặt giữa tâm máng
Hình 3.5: Bố trí trụ đôi đặt dọc theo hướng dòng chảy
Hình 3.6: Bố trí trụ đôi đặt vuông góc với hướng dòng chảy
Hình 3.7: Bố trí vị trí các điểm đo chiều sâu xói
Hình 3.8: Hình ảnh hố xói xung quanh trụ sau khi kết thúc thí nghiệm
Hình 3.9: Đường đồng mức chiều sâu xói xung quanh trụ sau thời gian thí
nghiệm T=3 giờ
Hình 3.10: Sự phát triển của chiều sâu xói cục bộ lớn nhất theo thời gian
Hình 3.11: Bố trí vị trí các điểm đo chiều sâu xói
Hình 3.12: Biểu đồ vận tốc tức thời 3 phương u (phương x), v (phương y)
và w (phương z)
Hình 3.13: Hình ảnh đường dòng xung quanh trụ

Hình 3.14: Hình ảnh hố xói sau thời gian thí nghiêm T=5 giờ
Hình 3.15: Đồ thị thể hiện chiều sâu xói phát triển theo thời gian
Hình 3.16: Sơ đồ vị trí các điểm đo chiều sâu xói
Hình 3.17: Hình ảnh thí nghiệm thứ ba
Hình 3.18: Hình dạng hố xói sau khi kết thúc thí nghiệm
Hình 3.19: Đường đồng mức mặt đáy xung quanh trụ cầu sau 4.5 giờ thí
nghiệm
Hình 3.20: Đồ thị thể hiện chiều sâu xói phát triển theo thời gian (thí
nghiệm 3)
Hình 3.21: Mặt thoáng khu vực xung quanh trụ
Hình 4.1: Thiết lập hình học mô phỏng
Hình 4.2: Lưới mô phỏng tổng thể
Hình 4.3: Trường vận tốc dọc theo dòng chảy, trong hố xói và bao quanh trụ
5
Hình 4.4: Mô phỏng đường dòng trước và sau trụ
Hình 4.5: Xói cục bộ xung quanh trụ cầu
Hình 4.6: So ánh chiều sâu lớn nhất xói cục bộ giữa thí nghiệm và mô
phỏng số theo thời gian
Hình 4.7: Thiết lập hình học mô phỏng
Hình 4.8: Mô phỏng mô hình lưới 3D
Hình 4.9: Lưới mô phỏng trên mặt phẳng x-y
Hình 4.10: Đường dòng khu vực trụ cầu
Hình 4.11: Véc tơ vận tốc khu vực trụ cầu
Hình 4.12: Đường dòng khu vực trước giữa và sau trụ cầu
Hình 4.13: Véc tơ vận tốc khu vực giữa hai trụ
Hình 4.14: Các đặc trưng dòng chảy khu vực trước và giữa hai trụ
Hình 4.15: Kết quả mô phỏng xói xung quanh các trụ sau T=5 giờ tính toán
Hình 4.16: So sánh chiều sâu xói lớn nhất tính toán và chiều sâu xói lớn
nhất đo thí nghiệm tại trụ thứ nhất
Hình 4.17: So sánh chiều sâu xói lớn nhất tính toán và chiều sâu xói lớn

nhất đo thí nghiệm tại trụ thứ hai
Hình 4.18: Kết quả mô phỏng đường mặt đáy kênh xung quanh trụ theo thời
gian phát triển xói sau 10 phút và 300 phút
Hình 4.19: Mô hình hình học cho bài toán trụ đôi đặt vuông góc
với hướng dòng chảy
Hình 4.20: Lưới mô phỏng hình học 3D
Hình 4.21: Lưới mô phỏng hình học 2D
Hình 4.22: Đường dòng khu vực xung quanh các trụ
Hình 4.23: Trường véc tơ vận tốc xung quanh các trụ
Hình 4.24: Đường đồng mức đáy xung quanh các trụ sau 4.5 giờ mô phỏng
Hình 4.25: Mô tả xói cục bộ xung quanh các trụ sau 4.5 giờ tính toán
Hình 4.26: So sánh chiều sâu xói lớn nhất theo thời gian giữa mô phỏng và
đo thí nghiệm
MỞ ĐẦU
0.1. Lý do để chọn đề tài
Ngày nay, cùng với sự phát triển kinh tế - xã hội toàn cầu, số lượng
công trình hạ tầng kỹ thuật đặc biệt là các công trình cầu đường bộ được xây
dựng ngày càng tăng nhằm đáp ứng nhu cầu giao thông vận tải phục vụ phát
triển kinh tế - xã hội của các nước trên thế giới và của Việt Nam. Ở nước ta,
với hơn 3000km bờ biển cùng hệ thống sông ngòi chằng chịt tại đồng bằng
Sông Hồng và đồng bằng Sông Cửu Long cùng với đa số các sông suối ở
Miền Trung đều chảy dọc theo hướng Tây Bắc - Đông Nam đổ ra biển đã chia
cắt mạng lưới đường bộ Bắc Nam cũng như hệ thống mạng lưới đường bộ
6
liên tỉnh điều này dẫn đến nhu cầu xây dựng cầu vượt sông suối ở nước ta rất
lớn, hàng năm có hàng chục cây cầu được xây dựng trên phạm vi toàn lãnh
thổ Việt Nam. Tuy nhiên, đi kèm với việc ngày càng nhiều cây cầu mới được
xây dựng thì càng xuất hiện vấn đề hư hỏng cầu, thậm chí là sập cầu mỗi khi
bão lũ xãy ra mà theo kết quả điều tra nguyên nhân chính là do xói cục bộ tại
chân trụ cầu và mố cầu. Do vậy, nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu là một lĩnh vực

gần như là kinh điển của khoa học động lực học dòng sông ở cả trên thế giới
và tại Việt Nam, đây là một vấn đề mang tính chất thời sự mà các kết quả
nghiên cứu đến nay vẫn chưa hoàn thiện. Có rất nhiều nghiên cứu về xói cục
bộ trụ cầu trên thế giới và trong nước đã được công bố; ở nước ta có một số
nhà khoa học như GS.TSKH. Nguyễn Xuân Trục, PGS.TS. Trần Đình Nghiên
đã và đang quan tâm nghiên cứu về xói cục bộ trụ cầu, mố cầu, cơ chế xói cục
bộ, đã đề xuất các công thức tính chiều sâu xói cục bộ trụ cầu lớn nhất và đã
được các kỹ sư thiết kế cầu áp dụng để tính cao trình đặt đáy móng mố, trụ
cầu; tuy nhiên, phần lớn các công thức tính xói cục bộ trụ cầu hiện nay được
xây dựng vào phương pháp nghiên cứu nửa lý thuyết nửa thực nghiệm sử
dụng các mô hình xói trong điều kiện thí nghiệm ở trong phòng trên các máng
thủy lực có hiệu chỉnh tham số tính toán theo các tài liệu đo xói trụ cầu hiện
đang sử dụng khai thác ngoài thực tế. Có thể nói hiện nay chưa có phương
pháp tính xói cục bộ trụ cầu theo các phương trình lý thuyết được các Tiêu
chuẩn thiết kế cầu đường và các nhà khoa học cầu đường chấp nhận.
Tiếp cận hướng nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số để dự
đoán xói cục bộ trụ cầu, nghiên cứu sinh lựa chọn đề tài "Mô phỏng số dòng
chảy và dự báo xói cục bộ trụ cầu".
0.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài luận án
0.2.1. Ý nghĩa khoa học
Như chúng ta đã biết, nguyên nhân gây hư hỏng công trình cầu phổ
biến nhất là do tác động của dòng chảy lũ, mà trực tiếp là do xói cục bộ đáy
7
sông xung quanh móng mố, trụ cầu. Đánh giá xói lở tại chân trụ, mố cầu
tương ứng với lưu lượng và mực nước lũ thiết kế trong lớp đất đáy sông dễ
xảy ra xói rất cần thiết đối với hệ thống công trình cầu bởi vì vị trí cầu cố
định, dòng chảy luôn di động gây xói sâu và mở rộng lòng vào bãi sông trong
vùng dòng chảy bị ảnh hưởng của cầu, đe dọa đến an toàn công trình cầu.
Trước những năm 60 của thế kỷ trước, việc đánh giá xói và tác động của xói
đến công trình còn rất hạn chế. Sau những năm 60 đã có một số đáng kể các

phương trình dự đoán xói và mô hình vận chuyển bùn cát, song chưa hiểu đầy
đủ về cơ chế gây xói cũng như chưa có khả năng đưa ra mô hình đánh giá
chính xác sự thay đổi hình thái đoạn sông ở vùng cầu trong thời gian lũ không
dài. Các phương trình dự đoán xói hầu hết dựa vào mô hình vật lý rút ra từ
phòng thí nghiệm, còn bị hạn chế về các yếu tố thủy lực, địa chất, kích thước
trụ, chưa phản ánh đúng tính chất phức tạp của dòng chảy và bùn cát tương
tác với trụ cầu, do vậy nhiều công trình cầu bị hư hỏng do lũ.
Về mặt khoa học, các đặc trưng thủy động lực học tại đáy móng trụ cầu
vô cùng phức tạp, nhất là cơ chế dòng chảy xung quanh trụ, xác định chiều
sâu lớn nhất có thể đạt được trong hố xói cục bộ còn nhiều điểm hấp dẫn các
nhà khoa học trong và ngoài nước, ở hiện tại và tương lai.
Ngày nay, cùng với sự phát triển của phần mềm máy tính và hiệu quả
kinh tế mà nó mang lại, các nhà nghiên cứu đã tiếp cận hướng nghiên cứu về
động lực học chất lỏng tính toán (CFD). Phương pháp mô hình mô phỏng số
đã đem lại những hiểu biết nhiều hơn về các đặc trưng thủy động lực học của
dòng chảy một cách toàn diện và chi tiết trong lĩnh vực thủy lực sông biển và
các công trình thủy lợi. Tuy nhiên, trong thủy lực công trình cầu đường thì
hướng nghiên cứu này còn ít được quan tâm.
Hiện nay, trên thế giới đã xuất hiện một số phần mềm thương mại mô
phỏng 3 chiều (3D) được dùng trong động lực học chất lỏng tính toán, mô
phỏng dòng chảy trong sông, suối, đường ống dẫn dầu, dòng trong
8
píttông, như FLUENT-3D, FLOW-3D, Flo-3D, SSIIM-3D, một số ít phần
mềm đã được áp dụng để mô phỏng dòng chảy bao quanh trụ cầu, mô phỏng
trường vận tốc và hố xói xung quanh trụ cầu. Mặc dù đã đạt được một số kết
quả đáng khích lệ, tuy nhiên vẫn đang dừng lại ở bước thử nghiệm, chưa có
một công bố chính thức nào về khả năng áp dụng các phần mềm thương mại
này vào lĩnh vực nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu. Mặt khác, một rào cản lớn
của việc áp dụng các phần mềm thương mại này trên thế giới và tại Việt Nam
đó là đa số các phần mềm này đòi hỏi phải được chạy trên những máy tính có

cấu hình mạnh, thời gian tính toán rất lâu có khi phải mất hàng tuần, hàng
tháng; các phần mềm này thường có mã nguồn đóng, khó tiếp cận và sử dụng;
đặc biệt là giá thành các phần mềm thương mại đó rất cao lên đến hàng chục
nghìn, hàng trăm nghìn đô la Mỹ.
Như vậy, việc ứng dụng và phát triển một mô hình số trị mã nguồn mở
để mô phỏng 3 chiều để phân tích các đặc trưng thủy động lực học tại vị trí
đáy móng công trình thủy lực nói chung và tại chân trụ cầu nói riêng cả về
không gian và thời gian là một vấn đề có ý nghĩa khoa học cao. Mô phỏng số
giúp có thêm công cụ để phân tích thủy động lực học dòng chảy. "Với sự linh
hoạt của mô hình số trị, sẽ có điều kiện nghiên cứu các đặc trưng thủy động
lực học một cách hoàn chỉnh hơn theo các phương diện về miền tính toán và
các trường hợp tính toán. Nó sẽ mang lại những nhìn nhận một cách tổng thể
hơn và chi tiết hơn so với các phương pháp nghiên cứu truyền thống'' (Lê
Văn Nghị, 2005, Viện KHTL Việt Nam) [6].
0.2.2. Ý nghĩa thực tiễn
Ở nước ngoài, theo các tài liệu nghiên cứu trong 30 năm trở lại đây tại
Mỹ trong khoảng 6000 cầu được theo dõi, trong đó có hơn 1000 cầu bị phá
hỏng, nguyên nhân do xói chiếm đến 60%, Cục đường bộ Liên bang Mỹ
(FHWA) cho biết trận lũ năm 1973 đã làm sập 338 cầu, trong đó khoảng 25%
là do xói cục bộ trụ, 75% là do xói mố [80],[95]. Hoffmans và Verheiij (1997)
9
[57] tổng kết rằng xói cục bộ xảy ra xung quanh móng mố, trụ cầu do dòng
chảy lũ là nguyên nhân chính gây ra sự phá hoại cầu; số liệu thống kê tại Mỹ
năm 1995 về số lượng cầu bị phá hỏng do xói cục bộ tại bảng 0.1:
Bảng 0.1: Thống kê số lượng cầu hỏng ở Mỹ do xói cục bộ từ năm 1985-1995
Địa điểm và thời gian Số lượng cầu bị phá hỏng
Pennsylvania, West Virginia,
Virginia, 1985
73
New York and New England,

1987
17
Midwestern United States, 1993 >2500
Georgia, 1994 >1000
Virginia, 1995 74
California, 1995 45
Năm 2003, 51 cầu bắc qua sông Hatchie tại Tennessee (Mỹ) bị phá
hỏng làm 8 người chết [63],[80],[95]. Tại New Zealand, theo nghiên cứu của
Melville và cộng sự năm 2002 ít nhất có 1 cây cầu bị phá hủy mỗi năm do xói
[63].
Ở Việt Nam, theo tài liệu thống kê “ Phòng chống bão lũ cho công trình
giao thông, Hà Nội 4/1992 “ cho thấy với trên 9930 cây cầu đang khai thác thì
có tới 448 cầu bị phá hỏng do bão lũ. Điều này cho thấy rõ tác hại nghiêm
trọng của bão lũ và xói đến sự ổn định của các công trình giao thông đặc biệt
là công trình cầu. Vì vậy xói lở là một tiêu chuẩn rất quan trọng và cần thiết
khi phân tích hệ thống cầu vượt sông.
Theo Ban chỉ đạo phòng chống lụt bão Trung ương. “Báo cáo tổng hợp
thiệt hại do lũ lụt tại miền Trung gây ra tháng 12/1999”, chỉ tính riêng trận lũ
tháng 12/1999 đối với các tỉnh Thừa Thiên Huế, Quảng Nam, Quảng Ngãi,
Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa đã có số công trình như cầu cống sập trôi 43
cái, cầu cống hư hỏng 1060 cái. Thiên tai gây ra trong năm 2000 ở khu vực
Đồng bằng sông Cửu Long rất nghiêm trọng, gần 5.000 cầu, cống các loại bị
ngập, hư hỏng nặng, có một số bị sập.
10
Ngày 5/11/2007, trụ cầu số 8 của cầu Bung (phía xã Chư Đrăng, huyện
Chư Prông, tỉnh Gia Lai) bị đổ xuống sông, làm rơi 4 dầm cầu của nhịp 8 và
nhịp 9. Ngay sau khi bị đổ, trụ số 8 đã bị nước lũ cuốn trôi.
Gần đây, tại huyện Bảo Yên, tỉnh Lào Cai mưa lớn kèm theo gió lốc
vào rạng sáng ngày 11/5/2013 làm 3 cầu bị sập.
Số liệu thống kê nêu trên cho thấy xói cục bộ trụ cầu thực sự là nguyên

nhân chính gây sự cố hư hỏng cầu, là mối hiểm họa cho ngành giao thông, đòi
hỏi có thêm nhiều nghiên cứu sâu ở nhiều góc độ khác nhau sao cho dự đoán
ngày càng tiếp cận gần hơn đến độ chính xác của việc xác định chiều sâu xói
cục bộ trụ cầu trong đất dễ bị xói.
a) Cầu Đen bắc qua sông nối quốc lộ 1A b) Xói trụ cầu Long Biên (Hà Nội, 2008)
với 3 xã Gò Nổi, huyện Điện Bàn bị lũ
làm sập cầu vào mùa mưa năm 2010
c) Hố xói trụ cầu Schoharie Creek (Mỹ, 2001) d) Hố xói trụ cầu Burke&Wills (Úc, 2010)
Hình 0-1: Một số hình ảnh về xói cục bộ trụ cầu
11
Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng mô phỏng số để dự đoán xói cục bộ
trụ cầu sẽ mang lại lợi ích to lớn đảm bảo an toàn các cầu khi thiết kế xây
dựng và trong quá trình khai thác.
0.2. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu khả năng ứng dụng phần mềm mô phỏng số dòng chảy 3
chiều để mô tả các đặc trưng dòng chảy khu vực xung quanh trụ cầu, bằng kết
quả mô phỏng chỉ rõ nguyên nhân gây xói trụ cầu, quá trình phát triển chiều
sâu xói theo thời gian, và chiều sâu xói lớn nhất tại trụ cầu, kiểm chứng kết
quả mô phỏng số bằng kết quả thí nghiệm vật lý trong phòng và của các công
thức bán thực nghiệm, từ đó đề ra khả năng ứng dụng mô phỏng số để dự
đoán xói cục bộ trụ cầu ở Việt Nam trong tương lai.
0.3. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm các phần sau:
Mở đầu
Chương I: Tổng quan về xói, tình hình nghiên cứu xói cục bộ tại trụ
cầu
Chương II: Cơ sở lý thuyết của FSUM và các thiết lập mô hình bài toán
xói cục bộ trụ cầu
Chương III: Thí nghiệm về xói cục bộ trụ cầu
Chương IV: Phân tích, đánh giá và so sánh kết quả mô phỏng số với kết

quả nghiên cứu thực nghiệm
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
12
Phụ lục
Xãi
Xãi tù nhiªn
Xãi trong thêi gian dµiXãi trong thêi gian ng¾n
Xãi t¹i vÞ trÝ c«ng tr×nh
Xãi chung Xãi côc bé
Xói nước đục Xói nước trong
13
CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ XÓI, TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU XÓI CỤC
BỘ TẠI TRỤ CẦU
1.1. Khái niệm, phân loại xói và cơ chế xói cục bộ trụ cầu
1.1.1. Khái niệm, phân loại xói
Xói là sự di chuyển bùn cát và hạ thấp cao độ đáy sông xung quanh vị
trí công trình được đặt trong dòng chảy. Xói là một hiện tượng tự nhiên do
dòng chảy trong các sông, suối gây ra, là kết quả của tác động của dòng chảy
làm cuốn trôi bùn cát đáy sông, ven bờ sông và xung quanh móng mố, trụ
cầu. Xói có khả năng gây nguy hiểm cho công trình cầu và các công trình
thuỷ lực, cụ thể là phá hoại móng công trình đặt trong dòng chảy [8],[9],[10],
[11], [18],[23],[45],[65],[66],[67],[80],[83].
Xói được phân loại như sau [10],[11],[37],[65],[66]:
Hình 1.1: Phân loại xói
Tóm lại, xói lở là một hiện tượng tự nhiên của dòng chảy khi tốc độ của
dòng chảy hay ứng suất tiếp do dòng chảy tạo ra vượt quá khả năng chịu lực
của hạt bùn cát ở đáy dòng chảy biểu thị qua tốc độ tới hạn hay ứng suất tiếp
14

tới hạn, lúc này các hạt đất bắt đầu chuyển động hình thành lưu lượng bùn cát
và tạo nên các hình dạng khác nhau. Tại chân trụ cầu đặt trong dòng chảy sẽ
xuất hiện quá trình xói, quá trình này thường được chia thành ba loại: xói tự
nhiên, xói thu hẹp (xói chung) và xói cục bộ (Hình 1.1, 1.2) [10],[11],[67],
[80].
Xói tự nhiên là sự hạ thấp cao độ đáy sông do khả năng tải cát vượt
quá khả năng cung cấp bùn cát của đoạn sông, làm thay đổi độ dốc đáy và
hình dạng đáy dòng chảy trong thời gian dài có khi tới 100 hay 500 năm [10],
[11],[80].
Xói chung hay xói thu hẹp tại vị trí cầu là do mố, trụ cầu và đường dẫn
cầu không ngập làm thu hẹp dòng chảy tự nhiên tương ứng với lũ thiết kế tại
vị trí cầu bắc qua sông. Xói thu hẹp xảy ra do mặt cắt dòng chảy dưới cầu bị
co hẹp, làm tăng tốc độ dòng chảy hay ứng suất tiếp trong vùng dòng chảy bị
thu hẹp dưới cầu, làm tăng khả năng tải bùn cát, hạ thấp cao độ đáy sông và là
cơ sở ban đầu xác định chiều sâu để tính xói cục bộ trụ cầu [10],[11],[80].
Hình 1.2: Minh họa xói tại trụ và mố cầu
1.1.2. Khái niệm, cơ chế xói cục bộ trụ cầu
1.1.2.1. Khái niệm xói cục bộ trụ cầu
Xói cục bộ trụ cầu là sự hạ thấp cao độ đáy sông sâu và hẹp ngay tại
chân trụ do dòng chảy tác dụng vào trụ, làm thay đổi cấu trúc bình thường của
dòng chảy, làm tăng cục bộ ứng suất tiếp và tốc độ dòng chảy, vượt qua sức
15
cản của hạt đất bao quanh chân trụ, xói đất lên và đẩy chúng khỏi chân trụ tạo
thành hố xói cục bộ ở trụ. Xói tại chân trụ sẽ nguy hiểm nhất khi cả 3 loại xói
trên đồng thời xảy ra khi lũ thiết kế thông qua dưới cầu [8],[9],[10],[11], [18],
[23],[45],[65],[67],[80],[83].
Xói cục bộ tại chân trụ cầu có thể được chia thành xói nước trong và
xói nước đục (Hình 1.1). Xói nước trong xảy ra khi dòng chảy ở thượng lưu
hố xói không mang bùn cát lấp vào hố xói, trong khi xói nước đục xảy ra khi
dòng chảy thượng lưu mang bùn cát lấp vào hố xói đồng thời bùn cát trong

khu vực hố xói cũng bị cuốn trôi về phía hạ lưu. Breusers và cộng sự (1977)
phân biệt xói nước trong và xói nước đục phụ thuộc vào tỷ số (v/v
c
); không có
xói (v/v
c
<0.5), xói nước trong (0.5≤v/v
c
<1), xói nước đục (v/v
c
≥1), trong đó v
là vận tốc dòng chảy đến trụ, v
c
là vận tốc tới hạn xói theo tiêu chuẩn Shields
[23].
1.1.2.2. Cơ chế xói cục bộ trụ cầu
Theo các nhà nghiên cứu Heidarpour và cộng sự (2003) [58],
Muzzammil và cộng sự (2004) [72], Melville và cộng sự (1977) [66],
Lauchlan và cộng sự (2001) [65], Breusers và cộng sự (1977) [23], Breusers
và cộng sự (1991) [24], Lagasse và cộng sự (2001) [59], Nguyễn Xuân Trục
(1982) [3], Trần Đình Nghiên (1999) [8], thì khi thiết kế công trình cầu vượt
sông tương ứng với lũ thiết kế, sự có mặt của mố, trụ cầu đặt trong dòng chảy
đã làm thay đổi cấu trúc của dòng chảy so với cấu trúc của dòng chảy thông
thường khi không có trụ. Chính trụ là vật cản dòng chảy, tự tạo ra một vùng
có áp suất thay đổi quanh trụ khác với dòng chảy bình thường khi không có
trụ và làm tăng tốc độ dòng chảy ở sát đáy, kết quả là cuốn trôi bùn cát tạo
thành hố xói.
Cơ chế dòng chảy xung quanh trụ cầu có thể mô tả như sau [35],[39],
[58], [72], [66],[65],[23],[24],[59],[8]:
16

Hình 1.3: Minh họa cơ chế dòng chảy xung quanh trụ cầu
Trụ cầu đặt trong sông là một vật cản làm hình thành dòng chảy bao
quanh trụ, tạo ra gradien áp suất ngược ở dòng chảy đến trụ ngay trước chân
trụ. Khi áp suất này đủ lớn sẽ hình thành sự tách dòng chảy ba chiều ở trước
chân trụ. Trên mặt thoáng phía trước trụ hình thành các xoáy mặt ngược chiều
dòng chảy. Trong lớp biên bao trụ của dòng chảy không đều đến trụ, sát mặt
trước trụ hình thành gradien áp suất dừng hướng xuống tạo ra dòng thứ cấp
dọc thân trụ ở trước và hai bên trụ. Sự tương tác giữa dòng thứ cấp hướng
xuống với tách lớp biên 3 chiều ở khu vực gần đáy làm hình thành hệ thống
xoáy trục ngang trước chân trụ với hai tay xoáy bao chân trụ có dạng hình
móng ngựa trên mặt bằng được gọi là “xoáy hình móng ngựa”. Nguyên lý cơ
bản của cơ chế xói cục bộ tại trụ cầu chính là sự hình thành xoáy hình móng
ngựa tại đáy trụ cầu. Dòng thứ cấp cùng với hệ thống xoáy này tách lớp đất dễ
xói ở chân trụ, tạo ra quá trình xói và hình thành vùng xói nhỏ, sâu ở chân trụ
được gọi là hố xói cục bộ tại chân trụ, có chiều sâu lớn nhất là chiều sâu xói
cục bộ trụ cầu. Quá trình xói mang các hạt bùn cát từ phía trước trụ về phía hạ
lưu. Do sự tăng tốc dòng chảy, các hạt bùn cát cứ tiếp tục bị cuốn đi tạo thành
hố xói gia tăng về chiều rộng và chiều sâu. Dòng chảy phía sau trụ bị chia rẽ
tạo thành các xoáy đứng sau trụ và biến mất khi di chuyển về phía hạ lưu, trục
của xoáy đứng có khuynh hướng tác động như một chân không hút bùn cát
cuốn theo dòng chảy, bùn cát lơ lửng sau đó bồi lắng khi các xoáy đứng biến
mất (Hình 1.3). Thuần túy về lý thuyết đây là vấn đề không đơn giản bởi vì sự
17
phức tạp của dòng chảy ba chiều tại chân trụ tương tác với vận tải bùn cát và
sự thay đổi của lớp biên là đáy di động [10],[11].
1.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới và trong
nước
1.2.1. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trên thế giới
Việc nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu được tiến hành từ những năm đầu
thế kỷ XX, trải qua hơn 110 năm phát triển, đã có hàng trăm công trình

nghiên cứu của các nhà khoa học tại Liên Xô, Mỹ, Trung Quốc và một số
nước khác. Điển hình có nghiên cứu của Laursen và cộng sự (1956) [63];
Yaroslavtsev và cộng sự (1953) [100]; Latyshenkov và cộng sự (1960) [62];
Zhuravlev và cộng sự (1978) [103]; Melville và cộng sự
(1975,1977,2001,2002) [61,65,66,67], XinBao Yu (2009) [98],. Trong những
năm gần đây, gần như các nước trên thế giới đều yêu cầu tất cả các cầu phải
được tính xói trước khi thiết kế thi công điều này làm cho việc nghiên cứu về
xói cầu có đã có những bước phát triển quan trọng. Hàng loạt các nghiên cứu
về xói đã được công bố bao gồm: Lander cộng sự (1996) [60]; Sturm và cộng
sự (2001) [88]; Ủy ban an toàn giao thông quốc gia Mỹ (1989,1990); Cục
đường bộ liên bang Mỹ (FHWA) (2003); Bộ giao thông bang Florida (Mỹ)
(2005), theo thống kê đã có hơn 100 nghiên cứu về lĩnh vực này của các nhà
khoa học của các nước trên thế giới.
1.2.2. Tình hình nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu trong nước
Ở trong nước, người đặt nền móng đầu tiên về nghiên cứu xói cục bộ
trụ cầu là GS.TSKH Nguyễn Xuân Trục - Trường Đại học Xây dựng, năm
1982 ông cùng KS. Nguyễn Hữu Khải [11] xây dựng công thức xác định
chiều sâu xói cục bộ lớn nhất tại trụ cầu bằng phương pháp nửa lý thuyết nửa
thực nghiệm căn cứ kết quả đo xói thực tế ở một số công trình cầu đang khai
thác. Các công thức tính xói này hiện đang được sử dụng rộng rãi khi tính
toán thiết kế cầu vượt sông. Năm 2000, PGS.TS Trần Đình Nghiên - Trường
18
Đại học Giao thông Vận tải Hà nội [8,9,10] đã xây dựng công thức bán thực
nghiệm để tính chiều sâu xói cục bộ lớn nhất cho trụ cầu cả trong các trường
hợp xói nước trong và xói nước đục. Các công thức tính xói cục bộ nói trên đã
được giới thiệu trong cuốn "Sổ tay tính toán thủy văn, thủy lực cầu đường" do
Bộ GTVT xuất bản năm 2006 [1]. Ngoài ra có một số công thức tính xói cục
bộ trụ cầu đã được đề xuất trong các luận án thạc sĩ, tiến sĩ của một số tác giả
khác,
1.3. Tổng quan về các phương pháp nghiên cứu xói cục bộ trụ cầu

Hiện nay có bốn phương pháp phổ biến để nghiên cứu xói cục bộ trụ
cầu, bao gồm: 1) Phương pháp giải tích; 2) Phương pháp mô hình vật lý; 3)
Phương pháp đo xói thực tế tại hiện trường; 4) Phương pháp mô phỏng số. Sơ
lược về các phương pháp như sau:
1.3.1. Phương pháp giải tích
Phương pháp giải tích được sử dụng để dự tính sự phát triển của xói
dựa vào nghiên cứu sự tương quan giữa hệ thống xoáy xung quanh trụ cầu và
chiều sâu xói trụ cầu. Các nghiên cứu đều dựa trên kết quả phân tích, đánh giá
sử dụng các giả thiết khoa học lý thuyết, các nguyên lý, định luật bảo toàn
năng lượng, động lượng, để xây dựng mối quan hệ giữa xói cục bộ và các
tham số chính ảnh hưởng đến quá trình xói. Do đó, có thể gọi là phương pháp
bán kinh nghiệm. Cartens (1966) [28] giả thiết hố xói có hình dạng hình chóp
ngược với đường kính đáy bằng đường kính trụ. Sử dụng phương trình
chuyển động bùn cát đề xuất một phương trình dự đoán sự phát triển chiều
sâu xói khi biết vận tốc dòng chảy đến trụ, kích thước hạt, gia tốc trọng
trường, góc nghỉ của hạt và đường kính trụ. Muzzammil và Gangadhariah
(2004) [72] nhận thấy chiều sâu xói cân bằng có liên quan đến kích thước các
cuộn xoáy hình móng ngựa, vận tốc tiếp tuyến và cường độ xoáy trong hố xói.
Các tác giả đã đề xuất một phương trình dự đoán chiều sâu xói lớn nhất. Hiện
nay, đã có một số phương trình dự đoán xói cục bộ được các nhà khoa học đề
19
xuất. Các phương trình giải tích này thường sử dụng các giả thiết về hình
dạng xói, vận tốc tới hạn và các phương trình liên tục (phương trình chuyển
động bùn cát).
Nhận xét:
Phương pháp giải tích sử dụng rất nhiều giả thiết để xây dựng công
thức tính xói cục bộ trụ cầu nên rất khó để áp dụng vào thực tế khi mà bản
chất của các hiện tượng thực tế là các hiện tượng ngẫu nhiên.
1.3.2. Phương pháp mô hình vật lý
Mô hình vật lý thường được sử dụng trong các nghiên cứu xói cục bộ

trụ cầu. Phần lớn các phương trình dự đoán xói cục bộ trụ cầu đều dựa trên
các số liệu thu được từ các thí nghiệm trong phòng. Các khảo sát trên các mô
hình thu hình thu nhỏ trong phòng được thực hiện để nghiên cứu xói cục bộ
trụ cầu. Do đó, sự ảnh hưởng của các yếu tố lên quá trình xói có thể được
nghiên cứu chi tiết, có thể khảo sát chiều sâu xói lớn nhất và tốc độ xói trong
các điều kiện xói nước trong, xói nước đục, vật liệu đáy là cát hoặc sét, và
nghiên cứu đối với tổ hợp trụ phức tạp.
Các yếu tố ảnh hưởng đến xói trụ cầu theo Breuser và cộng sự (1977)
[23] bao gồm:
- Các yếu tố đặc trưng chất lỏng:
+ g: gia tốc trọng trường;
+ ρ: khối lượng riêng chất lỏng;
+ υ: hệ số nhớt động học chất lỏng;
- Các yếu tố đặc trưng dòng chảy:
+ h: chiều sâu dòng chảy đến trụ;
+ V: vận tốc dòng chảy đến trụ;
- Các yếu tố đặc trưng bùn cát:
20
+ ρ
s
: khối lượng riêng hạt bùn cát;
+ d
50
: kích thước trung bình hạt;
+ σ
g
: độ lệch tiêu chuẩn hình học của sự phân bố kích thước hạt;
+ sự cố kết của bùn cát;
- Các yếu tố trụ cầu:
+ hình dạng trụ cầu;

+ chiều rộng trụ;
+ sự bố trí trụ cầu;
Các công cụ được sử dụng để xây dựng công thức dự báo xói cục bộ trụ
cầu như lý thuyết phân tích thứ nguyên, lý thuyết hồi qui và sai số bình
phương nhỏ nhất, lý thuyết xác suất thống kê toán học, lý thuyết mô hình vật
lý,
Nhiều công thức dự đoán xói được đề xuất dựa trên các nghiên cứu
trong phòng thí nghiệm của các tác giả trên thế giới và trong nước.
Sturm và cộng sự (2001) [88] sử dụng phương pháp phân tích thứ
nguyên xây dựng phương trình chiều sâu xói là một hàm số đa biến phụ thuộc
các tham số ảnh hưởng đến xói trụ cầu:
(1.1)
Trong đó: h
c
là chiều sâu xói cục bộ; b là bề rộng trụ; K
θ
là hệ số điều
chỉnh do hình dạng trụ; K
α
là hệ số điều chỉnh do góc tác dụng của dòng chảy
đến trụ; g là gia tốc trọng trường; d
50
là kích thước trung bình hạt; σ
g
độ lệch
tiêu chuẩn hình học của sự phân bố kích thước hạt; μ là độ nhớt động lực học
chất lỏng; ρ khối lượng riêng chất lỏng; V
c
là vận tốc tới hạn bắt đầu chuyển
động hạt trong dòng chảy đến trụ; h là chiều sâu dòng chảy đến trụ; V là vận

tốc dòng chảy đến trụ.
21
Rất nhiều phương trình dự đoán xói được đề xuất từ các số liệu thí
nghiệm trong phòng đều xuất phát từ phương trình cơ bản (1.1) bằng cách sử
dụng một vài tham số không thứ nguyên trong vế phải của phương trình (1.1).
Latyshenkov và cộng sự (1960) cho rằng dòng chảy đến trụ, đập vào
trụ có dạng sóng tạo ra dòng đứng đi xuống dọc thân trụ, gặp dòng đáy hình
thành dòng xoáy trục ngang ngược chiều với dòng chính, xoáy đáy trước trụ
hình thành xoáy tuần hoàn có cường độ lớn, các dòng xoáy ôm lấy hai bên trụ
trong quá trình chảy xuôi dòng, xói đất và hình thành hố xói ở trụ. Động năng
của dòng chảy được giải phóng, nhờ vào dòng đứng đi xuống sát trụ năng
lượng này đã chuyển thành năng lượng dòng xoáy tròn bao quanh trụ. Trên cơ
sở thí nghiệm năm 1948, Latyshenkov đã đề nghị công thức xác định độ sâu
xói cục bộ [62].
Yaroslavtsev và cộng sự (1956) nghiên cứu cấu trúc dòng chảy bao
quanh trụ hoặc là cơ chế hình thành xói cục bộ với giả thiết động năng của
dòng chảy đến trụ chuyển thành áp năng làm tăng thêm áp năng của dòng
chảy ở mặt trước trụ, áp lực dư này tạo ra độ chênh áp lực so với phần gần
đáy và hình thành dòng hướng xuống đáy song song với mặt trụ. Khi gặp đáy
dòng đứng làm xói đáy, tách hạt khỏi mặt trụ tạo thành hố xói cạnh trụ. Năng
lượng của dòng chảy ở đáy hố xói khi xói kết thúc phụ thuộc vào đường kính
của hạt đất đối với đất rời nói riêng và các thông số thể hiện tính chất và loại
đất nói chung, ông đã xây dựng công thức tính chiều sâu lớn nhất xói cục bộ
trụ cầu [100].
Altunin và cộng sự (1974) thừa nhận cấu trúc tương hỗ của dòng đứng
đi xuống, dòng đáy và xoáy. Xói lở là do xoáy với cường độ lớn tác dụng vào
đất quanh trụ cầu, xói ngừng khi hạt không tách ra khỏi hố xói hoặc do cân
bằng động của lưu lượng bùn cát vào và ra khỏi hố xói. Sử dụng sơ đồ dòng
chảy bao quanh trụ khi hố xói ổn định để viết phương trình cân bằng động,
đồng thời đặt quan hệ giữa lưu tốc không xói trong hố xói ổn định với lưu tốc

dòng đến trụ, với độ sâu dòng chảy, độ sâu xói, chiều rộng trụ và chiều rộng
hố xói dựa vào giả thiết lưu lượng đi qua diện tích do trụ chiếm bằng lưu
lượng được phân phối lại dọc hai bên trụ trong phạm vi chiều rộng hố xói và
diện tích mặt cắt ngang của hố xói vuông góc với hướng dòng chảy tới trụ để
đề xuất công thức tính chiều sâu xói cục bộ trụ cầu [18].
Zhuravlev và cộng sự (1984) cho rằng cơ chế xói gồm hai phần chính
có biểu hiện rất phức tạp, đó là áp lực ở mặt trước của trụ và di chuyển rối của
22
bùn cát. Dòng chảy phía trước trụ khoảng 2/3 độ sâu từ đáy lên mặt hình
thành hai xoáy liên tiếp nhau không tách rời nhau trực tiếp xói đất trước trụ.
Xói ở trụ do tác động đồng thời của dòng đứng đi xuống dọc thân trụ, dòng
xoáy tuần hoàn và các dòng xoáy đan chéo nhau. Sự chuyển động này tạo ra
một khu vực xáo trộn bùn cát đáy đặc biệt, các hạt đất bị tách khỏi đáy bật
vào dòng rối và chuyển ra sau trụ. Khu vực trao đổi mãnh liệt này có thể xem
như hình ảnh của elip tròn xoay quay quanh trục nghiêng với phương đứng
góc ϕ có
v
V
V
tg =ϕ
(V
v
– là tốc độ xáo lộn đáy trung bình đặc trưng cho tác
dụng xói của dòng phía trước trụ). Các hạt nhỏ lưu thông ở dạng lơ lửng trong
phạm vi hố xói, các hạt thô hơn di chuyển sát đáy tạo ra hiệu quả đặc biệt của
xoáy. Thông qua kích thước của xoáy dạng elip tròn xoay có thể xác định
được kích cỡ hố xói, đó là hình chiếu của xoáy trên mặt phẳng đáy. Để rút ra
công thức tính độ sâu xói, Juravlev tính áp lực lên mặt trụ căn cứ vào thông số
trao đổi rối bùn cát đáy đối với hai trường hợp V<V
o

và V≥V
o
, dùng kết quả
thí nghiệm xác định các tham số tính toán [103].
Muromov và cộng sự (1961) sau khi quan sát xoáy hình thành trước
trụ và cơ chế xói đã tập hợp, chỉnh lý số liệu thí nghiệm trong phòng, trong
sông và số liệu đo ngoài thực tế khai thác cầu, từ đó kiến nghị công thức được
đưa vào quy trình của Liên Xô cũ [71].
Richardson và cộng sự (1991) nêu ra công thức dự đoán xói cục bộ đối
với trụ chữ nhật thẳng hàng với dòng chảy (công thức này do Cục đường bộ
Liên bang Mỹ giới thiệu), sau đó công thức tiếp tục được phát triển vào các
năm 1999 và 2001 [80].
Công thức tính xói cục bộ của Bộ Giao thông Florida [10] được phát
triển bởi Sheppard cùng các nghiên cứu sinh của ông tại trường Đại học
Florida. Các thí nghiệm của các tác giả được thực hiện tại bốn phòng thí
nghiệm khác nhau (Đại học Florida ở Gainesville, Florida; Đại học Colorado
State ở Fort Collins, Colorado; Đại học Auckland ở Auckland, New Zealand
và Phòng thí nghiệm Conte USGS-BRD ở Turners Falls, Massachusetts).
Công thức của Sheppard được thiết lập với hai cơ chế xói nước trong và nước
đục.
Laursen và cộng sự (1956), giới thiệu công thức đối với trụ chữ nhật
[63].
23
Melville và cộng sự (1975) cho rằng chiều sâu hố xói cục bộ là một quá
trình thay đổi theo thời gian. Chiều sâu xói theo thời gian lớn nhất là giới hạn
của chiều sâu xói khi cân bằng. Ở điều kiện cân bằng, tác giả kiến nghị công
thức dự đoán chiều sâu hố xói cục bộ ở trụ cầu và mố cấu [67].
Nguyễn Xuân Trục và Nguyễn Hữu Khải (1982) [1],[11] (Trường
Đại học Xây dựng Hà Nội) đã giới thiệu công thức xác định trị số xói cục bộ
lớn nhất tại trụ cầu dựa vào kết quả nghiên cứu xói cục bộ trên các mô hình

vật lý, áp dụng lý thuyết thứ nguyên và lý thuyết bình phương nhỏ nhất để
điều chỉnh các hệ số theo các tài liệu đo xói thực tế ở một số cầu đang khai
thác như sau:
- Đối với trụ xây dựng ở bãi sông (V<V
ox
):
(1.2a)
- Đối với trụ xây dựng ở dòng chủ (V≥V
ox
):
(1.2b)
K
θ
– hệ số hình dạng trụ, K
θ
= 0.1K
ξ
.
K
ξ
- hệ số hình dạng trụ theo Yaroslavtsev.
Trần Đình Nghiên (1999) [1],[8],[10] (Trường Đại học Giao thông
Vận tải) đã xây dựng công thức lý thuyết, đồng thời kiến nghị công thức thực
hành tính xói cục bộ ở trụ cầu đối với cả hai loại xói nước đục và xói nước
trong như sau:
ϕα









= K.K
V
V
h.b.Kh
n
ng
xc
(1.3)
trong đó:
K
α
và K
ϕ
: hệ số xét tới ảnh hưởng của hướng dòng chảy và hình dạng
trụ;
K = 1.24; n = 0.77 khi V < V
ox
; và khi V > V
ox
nhưng V
≤
V
ng
(xói
nước trong);
K = 1.11; n = 1 khi V > V

ox
nhưng V > V
ng
(xói nước đục).
24
V
ng
: tốc độ ngừng xói phụ thuộc vào dòng nước là trong hay đục, được
xác định theo công thức:

06.0
3
ng
d
h
h gV






ω=

(1.4)
Nhận xét:
- Cơ sở của phương pháp mô hình vật lý là tiến hành xây dựng và
nghiên cứu trên các mô hình thí nghiệm. Việc xây dựng mô hình thí nghiệm
vật lý được tiến hành theo hai cách: a) Xây dựng các mô hình có kích thước
bằng nguyên mẫu thực tế, tuy nhiên việc xây dựng mô hình nguyên bản

thường có kích thước mô hình rất lớn, khó thực hiện và rất tốn kém kinh phí.
Do đó, b) Các nhà nghiên cứu thường xây dựng các mô hình tỷ lệ thu nhỏ
trong phòng và luôn cố gắng để các mô hình thu nhỏ này hoạt động gần đúng
như mô hình nguyên mẫu thực tế. Dựa trên các kết quả nghiên cứu về dòng
chảy, vận tốc, hệ thống xoáy, các tham số khác ảnh hưởng đến quá trình hình
thành và phát triển của xói cục bộ xung quanh trụ cầu để xây dựng các
phương trình tính xói.
- Các nhà nghiên cứu đã nghiên cứu các yếu tố quan trọng ảnh hưởng
cốt lõi đến quá trình hình thành và phát triển xói cục bộ tại trụ cầu và đã xây
dựng được các phương trình tính xói xoay quanh các yếu tố ảnh hưởng chính
đó. Có thể phân nhóm các phương trình theo các dạng sau: 1) nhóm phương
trình coi trọng ảnh hưởng của độ nông dòng chảy, vận tốc dòng chảy, hình
dạng trụ, kích thước hạt bùn cát; 2) nhóm phương trình coi trọng ảnh hưởng
của độ nông dòng chảy, hình dạng trụ, tham số Froude, tính chất bùn cát; 3)
nhóm phương trình sự phát triển của xói theo theo gian đến khi chiều sâu xói
đạt giá trị cân bằng; 4) nhóm phương trình chỉ coi trọng ảnh hưởng của bề
rộng trụ thông qua diện tích cản dòng do sự có mặt của trụ trong dòng chảy.
- Các phương trình tính xói sử dụng khá nhiều giả thiết và thường bỏ
qua các yếu tố phức tạp nhất của dòng chảy mà bản chất chính là dòng chảy 3
chiều nên dẫn đến có sự sai khác nhau khá lớn về kết quả tính xói giữa kết
quả tính xói của phương trình đề xuất so với kết quả đo xói thực tế tại trụ cầu
điều này dẫn đến việc hiện nay chưa có một phương trình tính xói cục bộ trụ
cầu nào được giới thiệu đưa vào tiêu chuẩn thiết kế cầu vượt sông, hầu hết
25
đều dùng để cho các nhà thiết kế tham khảo vận dụng khi tính toán cao độ đặt
đáy móng mố, trụ cầu.
- Một số nhược điểm của phương pháp mô hình vật lý:
+ Mô hình vật lý không thỏa mãn sự tương tự thủy lực bao gồm:
1) Tương tự về hình học là sự tương tự về hình dạng. Hệ nguyên mẫu và mô
hình được gọi là tương tự hình học khi và chỉ khi tất cả tất cả các kích thước

trong hệ tọa độ 3 chiều có cùng một tỷ lệ thu nhỏ. Tất cả các góc tác dụng và
hướng dòng chảy được giữ nguyên. Vị trí của mô hình và hệ nguyên mẫu so
với môi trường xung quanh phải đồng nhất. Tuy nhiên khó có thể xây dựng
được một mô hình thu nhỏ hoàn hảo theo các điều kiện nêu ở trên và khi
nghiên cứu về quá trình chuyển động bùn cát thì không thể thu nhỏ kích thước
hạt bùn cát vì như vậy sẽ sai bản chất bài toán. 2) Tương tự về động học là sự
tương tự về chuyển động của dòng chảy nghĩa là tất cả các thành phần vận tốc
giữa hệ nguyên mẫu và mô hình phải cùng một tỷ lệ tương ứng. Điều này khó
đảm bảo vì hầu hết phương tiện đo tốc độ hiện nay khó đo chính xác vận tốc
dòng chảy theo 3 phương đặc biệt là theo phương thẳng đứng. 3) Tương tự
động lực học là sự tương tự về các lực tác dụng nghĩa là tất cả các lực tác
dụng lên hệ nguyên mẫu và mô hình phải có cùng một tỷ lệ tương ứng trong
trường dòng chảy. Tóm lại, việc xây dựng mô hình vật lý khó đảm bảo thỏa
mãn tất cả các điều kiện tương tự về thủy lực giữa hệ nguyên mẫu so với mô
hình do vậy chưa phản ánh đầy đủ bản chất các hiện tượng vật lý dẫn đến kết
quả tính toán còn sai lệch so với đo đạc thực tế.
+ Việc đo đạc thực hiện trên mô hình vật lý phụ thuộc vào chất
lượng và tính năng, sai số khi đo của các thiết bị được dùng để đo, có một số
công tác đo rất khó thực hiện do hiện nay chưa có thiết bị tinh vi để thao tác
ví dụ như đo trường vận tốc dòng chảy 3 chiều xung quanh trụ, điều này dẫn
đến sai số khá lớn khi chuyển số liệu đo được trong mô hình ra thực tế, đôi
khi sai số trong mô hình chỉ vài milimét nhưng khi chuyển ra thực tế theo tỷ
lệ thì sai số này có thể lên đến hàng mét.
+ Khi xây dựng mô hình vật lý, các nhà nghiên cứu thường sử
dụng nhiều giả thiết về điều kiện dòng chảy, kích thước hình dạng trụ, vật liệu
đáy sông, nhằm mục đích đơn giản hóa quá trình xây dựng mô hình, đo đạc
và xây dựng biểu thức tính xói và khắc phục bằng cách đưa ra các hệ số kinh
nghiệm để cải thiện kết quả tính toán vì vậy khi điều kiện thực tế trên sông